ZrO2基复合金属氧化物催化剂上CO2温和氧化乙苯制苯乙烯

苯乙烯(SM)是聚合物化学中最重要的单体之一,由其生产的聚合物产品(如PS,SBR和ABS等)具有独特的性能,因而SM的需求逐年增加.乙苯(EB)催化脱氢工艺提供了90％的SM需求,该过程在K促进的氧化铁催化剂上于600-650℃进行.这是一个吸热且体积增大的反应,因此需要绝热反应器和大量的过热过饱和蒸汽以提供热量和降低反应分压,从而有利于反应平衡向SM方向移动,也可避免或消除积碳.同时,也造成大量潜热被浪费;热点也降低了整个反应活性和催化剂寿命.在蒸汽中加入空气或富氧空气,使得副产H2与O2反应,产生的热量可供随后乙苯脱氢反应,同时H2的移除也有利于提高EB单程转化率,并保持高的SM选择性.但是,该过程需要2个催化剂,反应器的设计和催化剂的装填比较复杂,且存在爆炸的危险.因此,人们尝试了多种氧化剂和新型的催化剂.最近也有人提出软氧化剂的概念.这为开发新催化体系提供了可能.相对于O2,CO2的氧化性很弱,但可用作温和氧化剂去除脱氢单元中副产的H2,降低了反应温度,且不影响反应活性和选择性;同时,具有较大的经济性和环保性,在工业上也是切实可行的.除了负载型的碱金属促进的氧化铁催化剂外,各种金属或金属氧化物也用于催化CO2氧化EB脱氢反应中,如Fe,Cr,V和La的氧化物为活性金属,碳材料、MgO、SiO2、Al2O3、Ga2O3、ZrO2、TiO2、水滑石类化合物及分子筛为载体.Park课题组研究了Fe,V和Cr基催化剂,即设计氧化还原的催化剂表面以解离CO2,产生的O用于逆水汽反应.其中以Al2O3负载的V和V-Sb氧化物催化剂性能最为突出;但存在积碳失活和V物种的深度还原等问题.为了进一步提高催化剂性能,该课题组开发了多种ZrO2基复合氧化物催化剂,包括MnO2-ZrO2,TiO2-ZrO2,CeO2-ZrO2和SnO2-ZrO2.这些催化剂具有酸碱特性,在反应中表现出较高的催化性能.因此,本文简要总结了用于CO2氧化EB脱氢反应的ZrO2基催化剂最新研究进展.研究发现,在CO2氧化EB脱氢制SM反应中,CO2在提高催化剂活性和稳定性方面起着非常重要的作用,可被定义为软氧化剂:氧化催化剂表面以保持其表面氧含量,移除催化剂表面产生的积碳和副产物H2,为反应体系提供较高的热容以克服反应平衡限制,从而达到较高的转化率.ZrO2基复合金属氧化物是具有改善的织构特性的纳米粒子,且具有酸碱两性和氧化还原性能.改性可提高催化体系的热稳定性和活性.其中CeO2-V2O5/TiO2-ZrO2催化剂具有恰当的氧化还原性和酸碱两性,二者协同作用,因而催化性能最佳.氧化还原稳定剂Sb的添加进一步提高了其催化性能.碱金属和碱土金属可优化其酸碱性,增加比表面积,从而提高反应活性和选择性以及CO2转化率.继续加强抑制积碳和促进CO2活化方面的研究,可有望进一步提高单程转化率(75％以上)、选择性(98％)和CO2转化率(30％).总之,CO2氧化EB脱氢制SM是一个高度经济性和环境友好的新过程,在未来有望满足SM日益增长的需求.另外,该过程的开发可减少CO2排放,其副产的CO还可用于多种化工过程.然而,该过程仍面临诸多挑战:如何抑制积碳,单程转化率和催化剂寿命有待进一步提高.这些挑战也给我们未来的研究提供了方向.深入理解反应机理、积碳机理和CO2的活化过程也有利于我们开发出更适合工业应用的催化剂.     

在复合金属氧化物催化剂上丙烷直接氧化制丙烯酸

丙烷直接氧化制丙烯酸是近年来催化氧化的热点课题。MoVTe(Sb)NbO复合金属氧化物催化剂是该反应最重要的一类催化剂。本文对该类催化剂的制备化学包括活化方式以及决定催化性能的主要活性相结构等方面的新近认识进行了系统评述;依据丙烷催化转化的反应途径,总结了有关催化剂元素组分在反应中的作用与功能的最新进展,调变催化剂的粒子尺寸与形貌、晶相组成与结构、表面酸碱性与氧化还原性是获得优良催化性能的关键因素。     

ZnO-ZrO_2固溶体催化剂上CO_2高选择性加氢制甲醇（英文）

CO_2引起的气候变化已引起全世界的关注,但同时CO_2也是一种可持续的碳资源.将CO_2转化为高附加值的燃料或化学品不仅可以解决CO_2的问题,还可变废为宝得到有用的化学品.CO_2加氢制甲醇是实现这一过程的理想选择之一,因为甲醇不仅是很好的燃料,还可转化得到烯烃、芳烃等高附加值化学品,需要强调的是整个过程所需的氢气是利用太阳能等可再生能源通过光催化、光电催化或电解水制氢得到.使用煤或天然气经合成气用CuZnOAl_2O_3催化剂合成甲醇已工业化50年左右,甲醇选择性可达99%,但该催化剂应用于CO_2加氢制甲醇时,较强的逆水煤气变换副反应致使甲醇选择性只有60%左右,另外,反应生成的水会加速Cu基催化剂的失活.因此,开发新型高选择性催化体系显得尤为必要,世界上很多科学家展开了新型催化剂的研发,如Cu/ZnO/ZrO_2,Pd/ZnO,"georgeite"Cu,Cu(Au)/CeO_x/TiO_2,Ni-Ga,MnO_x/Co_3O_4催化剂等,但这几类催化剂体系上甲醇选择性都不超过60%,CO_2加氢制甲醇选择性低的问题一直没有解决.近期,中国科学院大连化学物理研究所李灿院士课题组开发了一种不同于传统金属催化剂的双金属固溶体氧化物催化剂ZnO-ZrCO_2,在近似工业条件下(5.0 MPa,24000 mL/(g h),H_2/CO_2=3/1~4/1,320~315 ℃),当CO_2单程转化率超过10%时,甲醇选择性仍保持在90%左右,是目前同类研究中综合水平最好的结果.研究表明,该催化剂的固溶体结构特征提供了双活性中心反应位点,Zn和Zr,其中H_2和CO_2分别在Zn位和原子相邻的Zr位上活化,在CO_2加氢过程中表现出了协同作用,从而可高选择性地生成甲醇.原位红外-质谱同位素实验及DFT理论计算结果表明,表面HCOO*和H_3CO*是反应主要的活性中间物种.该催化剂反应连续运行500 h无失活现象,还具有极好的耐烧结稳定性和一定的抗硫能力,表现出了良好的工业应用前景.传统甲醇合成Cu基催化剂要求原料气含硫低于0.5 ppm,而该催化剂的抗硫能力无疑可使原料气净化成本大大降低,在工业应用方面表现出潜在的优势.     

Fe掺杂ZrO_2催化剂上苯酚气相甲基化（英文）

采用共沉淀法制备了Fe掺杂的ZrO_2样品,并采用X射线衍射、N_2吸附-脱附、紫外漫反射光谱、扫描电镜-电子能谱、氨程序升温脱附、X射线光电子能谱和原位红外光谱进行了表征.结果表明,Fe进入ZrO_2晶格中有效稳定了其晶相结构为单一的四方相.这些样品可很好地催化苯酚气相甲基化反应,其催化活性取决于Fe含量,并与样品中L酸有关.     

介孔Fe-Cu复合金属氧化物纳米粉催化剂催化低温CO氧化（英文）

以环氧丙烷为凝胶剂,采用简便低廉的无表面活性剂的溶胶-凝胶法制备了一系列不同Cu/Fe摩尔比的高比表面积介孔Fe-Cu复合氧化物纳米粉末.运用微反应器-色谱体系考察了它们在低温CO氧化反应中的催化性能.采用X射线衍射、N2吸附-脱附、热重-差热分析、程序升温还原、傅里叶变换红外光谱和透射电镜对所制样品进行了表征.结果表明,这些介孔Fe-Cu复合氧化物催化剂具有纳米晶结构、窄的孔径分布和高的比表面积,在低温CO氧化反应中表现出高的活性和稳定性.CuO的添加影响了Fe2O3的结构和催化性能.当CuO含量为15 mol%时,催化剂具有最高的比表面积和催化活性,在低温CO氧化反应中表现出较高的催化稳定性.     

CO2选择性氧化乙苯制苯乙烯

本文评述了近年来国内外利用温室气体CO₂选择性氧化乙苯制苯乙烯的研究进展.和乙苯直接脱氢法相比,新工艺不仅能降低反应温度,大幅度降低能耗,还能在一定程度上抑制催化剂的失活.氧化铝负载的Fe系催化剂和活性炭负载的La等过渡金属改性的V系催化剂具有较好的催化活性.CO₂对乙苯脱氢的显著促进作用要归因于金属氧化物催化剂的氧化还原机制以及乙苯脱氢和逆水煤气变换反应耦合的协同作用.尽管新工艺显示了良好的应用前景,但在将来的研究工作中还要强化催化剂失活机理的研究,开发新型高效催化剂并对新工艺的成本进行详细的评估。     

NaBr／KZSM—5催化剂上甲苯甲烷氧化甲基化制苯乙烯和乙苯

在常压固定床连续流动不锈钢反应装置上,对ＮａＢｒ／ＫＺＳＭ－５催化剂系统考察了ＮａＢｒ负载量、反应温度、接触时间对甲苯的转化率、Ｃ８化合物的选择性、Ｃ８化合物的收率的影响。同时,通过吸附ＮＨ３－ＴＰＤ和吸附甲酸－ＴＰＤ对催化剂表面的酸、碱强度及酸、碱量进行了研究。结果发现,ＮａＢｒ负载量、反应条件对反应影响很大,且有一最佳值,同时,通过对催化剂酸、碱考察,发现ＮａＢｒ／ＫＺＳＭ－５催化剂,其中等强度的碱中心和较弱的酸中心的合理匹配是催化剂的活性中心     

用于乙苯氧化脱氢制苯乙烯铝-硼催化剂:铝硼组成及制备方法对催化剂性能的影响（英文）

采用溶胶-凝胶(SG)法合成了不同摩尔比的Al-B催化剂(Al-10B与Al-35B).在450-500°C,乙苯(EB)接触时间为0.54g-cat.s.cm~(-3)的条件下,在氧气和水蒸气存在下对这些催化剂进行催化乙苯脱氢反应.利用NH_3-TPD质谱分析了Al-B催化剂的酸性.扫描电镜图像显示,硼在氧化铝中负载量达15%(Al-15b)时仍分布很好,而在较高的硼含量(Al-25B和Al-35B)催化剂中观察到硼聚集.从本质上讲,在Al和Al-10B催化剂上观察到强度非常弱(T_(max)≤125°C)的酸位,使得EB转化率和苯乙烯产率很低.另一方面,在Al-25B和Al-35B催化剂酸位较弱(T_(max)≤180°C),因而EB转化率较高.然而,在弱-中等强度酸位的Al-15B催化剂上可以得到较高的苯乙烯产率(43.2%)和合理的EB转化率(46%).另外,采用共沉淀法(COP)和浸渍法(IMP)合成了Al-15B催化剂.IMP和COP催化剂的NH_3-TPD-质谱分析结果发现,与NO_x形成有关的酸位点在500°C时将EB转化率分别提高到66%和63%.然而, Al-BSG催化剂中的这些酸位降低,使得500°C时EB转化率为50%.当EB转化率为50%时,在Al-BIMP, Al-BCOP和Al-SG催化剂上苯乙烯选择性分别为73%, 82.5%和84%.因此,不同方法制备的Al-B催化剂,会产生不同强度和密度的酸位,从而影响苯乙烯的形成.     

复合金属氧化物催化剂用于甘油氧化制丙烯酸的研究进展

随着化石燃料的短缺及其利用所产生的环境问题,可再生生物质资源逐渐成为生产燃料以及化学品的重要来源。近年来,甘油作为生物柴油生产的主要副产物受到了人们的广泛关注,利用其生产高附加值产品以及开发相关的转化技术也成为了国内外学者研究的热点。在诸多转化技术中,甘油选择性氧化制丙烯酸展现出了广阔的发展前景,对该反应尤其是催化剂开展研究具有重要的经济意义和社会意义。文中综述了用于甘油选择性氧化制丙烯酸复合金属氧化物催化剂的研究现状,介绍了当前用于该反应的催化体系类型以及对甘油氧化制丙烯酸催化反应机理的认识,分析并提出了存在的问题以及对未来的展望。     

Cu-In二元金属催化剂上CO_2电化学还原 （英文）

石油、天然气和煤等化石能源的转化利用不可避免排放大量的CO_2,造成一系列生态和环境问题.CO_2电化学还原可以在温和反应条件下将CO_2转化为CO或甲酸等,近年来受到研究者广泛关注,但因CO_2具有很稳定的化学结构,CO_2电化学还原要求催化剂具有高的活性,选择性和稳定性.贵金属如金和钯可以有效地将CO_2转化为相应的燃料如CO和甲酸等,但贵金属昂贵的价格限制了其大规模应用,所以迫使人们寻找非贵金属催化剂来替代它们.铟及其合金被应用于CO_2电化学还原生成甲酸,但在低过电位下,这些催化剂的电流密度和选择性都不理想.铜基催化剂也能催化CO_2电化学还原生成甲酸,但在短时间内稳定性较差.因此,需要进一步提高In和Cu催化剂上CO_2电化学还原的电流密度和稳定性.一种可能的解决方案是构建Cu-In双金属催化剂,通过两者的协同作用,有望提升在低过电位下CO_2电化学还原生成甲酸的电流密度和稳定性.在本工作中,我们通过氢气模板法制备出具有树枝状结构的Cu,然后在其表面均匀电沉积金属In.通过两步电沉积法制备出一种具有树枝状结构的Cu-In二元金属催化剂.控制电沉积In的时长分别为1.5,7.5,15,30和60 min.根据SEM及EDX元素分布图谱可知,随着电沉积In时间的增加,In在Cu表面的覆盖率逐渐增高.我们还研究了In的电沉积时间与其电化学活性表面积(ESA)之间的关系.结果表明,In的电沉积时间与其电化学活性表面积成正比,且当电沉积时间达到30 min时,电极具有最大的电化学活性表面积.具有树枝状结构的Cu-In-30催化剂ESA数值为8.7 cm~2,而不具备树枝状结构的In-30催化剂的ESA数值仅为2.4 cm~2.在-0.65 V vs.RHE至-1.05 V vs.RHE电位窗口中,与其它催化剂相比,Cu-In-30催化剂上CO_2电化学还原生成甲酸的法拉第效率最高可达87.4%.树枝状结构的Cu-In-30催化剂由于具有开放的三维结构,所以能够暴露出更多的活性位,从而提高了催化剂的电化学性能.在-0.85 V vs.RHE电位下,甲酸分电流密度可达42.0 m A cm~(-2),且具有较高的电化学稳定性(12 h).而不具有树枝状结构的In-30催化剂生成甲酸的法拉第效率为57.0%,且甲酸分电流密度为4.6 m A cm~(-2).     

金单原子催化剂上一氧化碳低温氧化（英文）

CO低温氧化对于基础研究和实际应用均具有重要意义.自上世纪八十年代日本的Haruta教授发现氧化物负载金催化剂对CO氧化的超高活性以来,负载金催化剂受到了广泛关注与深入研究,被认为是目前活性最高的CO氧化催化剂.在诸多影响CO氧化活性的因素中,纳米金的粒子尺寸是最重要因素之一.目前主流观点认为对于CO氧化,纳米金有一个最优尺寸范围,在0.5–5 nm,而Au原子/离子(Au~(3+),Au~+)的活性则低一到两个数量级.因此,一般认为负载金单原子催化剂对于CO氧化反应的活性要比金纳米粒子和团簇低很多.然而,最近几年的理论与实验研究均表明,金单原子负载于合适的载体上可以显示出与金纳米粒子和团簇相当的活性.本文对这些新进展进行综述,阐述金单原子催化剂对CO氧化的独特反应性能.Gates教授研究组进行了大量关于正价金对CO氧化影响的研究,其中包括孤立的金原子(Au~+).他们的研究发现,CO氧化活性随价态降低而降低,表明正价金对CO氧化至关重要.此外,他们的研究也表明,孤立金原子对CO氧化的活性(TOF)比金纳米粒子低一到两个数量级.然而,在他们的研究中,有几个因素可能导致催化剂的低活性.首先,他们一般采用非或弱还原性的载体.而载体的还原性对金催化剂上CO氧化活性影响非常巨大.另外,他们所用的金原子前驱体为配合物,在催化剂制备与反应过程中配体并没有去除,可能也是导致催化剂活性低的原因之一.与此相反,张涛课题组近期采用氯金酸为前驱体,通过简单的吸附浸渍法制备了一系列负载金单原子催化剂.同时用相同的载体制备了负载金纳米粒子催化剂进行对比,可以排除载体等其它影响因素.对比结果显示,单原子催化剂均显示出与纳米粒子相当的TOF(单位表面Au原子)和更高的反应速率(单位重量金).首先制备了氧化铁负载金单原子催化剂,该催化剂在室温即展现出可观活性,TOF值与2–3 nm金粒子TOF值相当(~0.5 s–1).更有趣也更重要的是,该催化剂在高温(200 oC以上)展现出非常高的反应稳定性,在200 oC反应100 h无失活.在300和400 oC反应50 h也无失活发生,为开发高温稳定的金催化剂提供了新途径.其次制备了氧化钴负载金单原子催化剂,该催化剂以0.05%金负载量即可实现室温全转化,其TOF值高达1.4 s~(–1).然而该催化剂在达到高活性之前必须首先在反应气氛中进行高温处理,这限制了其实用性.此外,催化剂需经反应气氛活化的原因尚待进一步研究.随之又制备了氧化铈负载金单原子催化剂,对富氢条件下CO选择氧化不仅具有高活性,而且具有极高的CO选择性.进一步研究结合理论计算表明,高选择性来自氧化铈负载的金单原子不能解离活化氢,对于氢气氧化活性极低,从而导致CO氧化的高选择性.理论研究方面也有进展.Camellone等计算发现金原子可以取代Ce O_2(111)面上的Ce原子形成Au~+并促进CO氧化.然而该金原子会扩散至氧空位形成带负电荷的Au~(δ-),阻止CO和O_2吸附,因而使催化剂失活.李隽课题组利用从头算分子动力学模拟首次发现氧化铈和氧化钛负载的Au纳米粒子在CO氧化过程中可以形成单原子的现象,并将之称为动态单原子催化剂.Yang等则计算了二维材料BN负载Au单原子催化CO氧化并发现反应优先通过三原子E-R机理进行.     

苯乙烯在TiO2／SiO2催化剂上氧化制苯甲醛的研究

在TiO2/S iO2催化的苯乙烯氧化反应中采用空气作为氧化剂,苯乙烯被氧化,生成的苯甲醛和甲醛为主要产物.反应可以在低于100℃的温和条件下进行.在较低的苯乙烯转化率(18.0%)下,可以得到较高的苯甲醛选择性(95.0%).对于此反应,苯乙烯的转化率随催化剂中TiO2含量的增加而增加,但是苯甲醛的选择性随苯乙烯的转化率升高而下降.反应中还考察了加入的溶剂甲苯的体积含量、空气流速、液体流速和催化剂焙烧温度对该氧化反应的影响.在一定的反应条件下,实验发现加入甲苯的体积含量在20%时存在一个最佳值;空气的空速对反应的影响存在极限值,当空气的空速大于一定值(571 mL/g.h)时,不再影响反应的转化率和选择性;一般在液体(苯乙烯和甲苯)的流速增加时,苯乙烯的转化率下降同时苯甲醛的选择性增加.在催化剂的制备过程中,在具有不同TiO2含量的催化剂TiO2/S iO2上,苯乙烯的转化率随TiO2含量增加而增加,此时比表面是影响苯乙烯转化率的次要因素;但是在催化剂的组成相同时,比表面随焙烧温度增加而降低,此时比表面是影响苯乙烯转化率的主要因素,比表面减小导致催化活性降低.     

CO2气氛下负载型Cr2O3催化剂上乙苯脱氢制苯乙烯反应

 采用浸渍法制备了负载型Cr2O3/Al2O3和Cr2O3/SiO2催化剂,并考察了催化剂在CO2气氛下催化乙苯脱氢制苯乙烯反应的活性. 结果表明,Cr2O3/Al2O3的催化活性高于Cr2O3/SiO2. 这可能是由于Cr2O3在Al2O3载体表面的分散度大大高于在SiO2表面的分散度. 催化剂的催化活性与Cr2O3的负载量有关,在w(Cr2O3)=25%时,Cr2O3/Al2O3的催化活性最高. CO2气氛对乙苯脱氢反应有明显的促进作用; 在CO2气氛下,Cr6+物种可能是催化乙苯脱氢反应活性位的前驱体.     

杂多酸催化剂上乙苯的氧化脱氢

本文研究了H₃PW₁₂O₄₀及其Na⁺、Al³⁺、Cd²⁺、La³⁺盐对乙苯氧化脱氢反应的催化活性。发现活性与酸强度和酸量之间没有直接的关系。杂多酸及其盐类在反应开始阶段均存在一段活性增长期,简称为"增活期"。增活期内催化剂表面的积炭量逐渐增加,积炭物的H/C比逐渐减小。用质谱法、薄板层析法检知了积炭物中有醌类物质存在,提出了积炭物中的醌类基团是氧化肥氢的活性中心的观点。     

乙苯脱氢制苯乙烯工业催化剂的失活原因

用混合法制备了工业乙苯脱氢催化剂,考察了新鲜催化剂和使用34个月后的催化剂的催化性能,并应用多种表征手段详细研究了所制备的工业催化剂在使用前后体相和表面的变化情况.活性测试结果发现,催化剂使用34个月后,活性下降12%,消炭后催化剂活性有所提高,但很快又恢复到失活后的水平.表征结果发现,积炭、钾的流失和催化剂活性相的烧结都不是导致催化剂失活的根本原因,而助催化剂钾的不均匀分布和催化剂活性相中Fe3 的还原可能是催化剂失活的主要原因.     

铁系催化剂上乙苯与CO2氧化脱氢反应

采用浸渍法和溶胶-凝胶法制备了三种含Mg,Fe和Al量相同的Fe2O3-MgO/γ-Al2O3,Fe2O3/MgAl2O4和MgFe0.1Al1.9O4催化剂,在580°C考察了它们催化乙苯与CO2氧化脱氢反应性能,并采用X射线衍射,表面元素分析,H2-程序升温还原和CO2-程序升温脱附等技术对催化剂体相及表面性质进行了表征.结果表明,催化剂制备方法影响Fe物种的存在形态,进而影响催化剂的稳定性和活性.采用浸渍法制备的Fe2O3/MgAl2O4催化剂含有高度分散的Fe2O3活性物种,该物种具有较好的初活性,但是稳定性较差;而采用溶胶-凝胶法制备的MgFe0.1Al1.9O4催化剂中,Fe物种主要以同晶取代的形式存在于尖晶石骨架中,因而具有较高的乙苯与CO2氧化脱氢催化活性和稳定性.     

磷酸铜锆催化剂上醇选择性氧化（英文）

The catalytic activity of copper zirconium phosphate(ZPCu) in the selective oxidation of alcohols to their corresponding ketones or aldehydes, using H2O2 as an oxidizing agent, was studied. The oxida‐tion reaction was performed without any organic solvent, phase‐transfer catalyst, or additive. Steric factors associated with the substrates influenced the reaction. The catalyst was characterized using X‐ray diffraction, inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy, energy‐dispersive X‐ray spectroscopy, and scanning electron microscopy. It was shown that the interlayer distance increased from 0.74 to 0.80 nm and the crystallinity was reduced after Cu2+ intercalation into the layers. This catalyst can be recovered and reused three times without significant loss of activity and selectivity.     

双中心多孔聚合物作为多相催化剂实现CO_2在温和条件下高效转化（英文）

由于对化石燃料的高度依赖和二氧化碳(CO_2)的过度排放,大气中CO_2浓度从280 ppm上升到400 ppm左右,导致全球变暖和其他气候问题.在这种情况下,如何有效降低空气中的CO_2浓度成为近年来最迫切的研究领域之一.另一方面,作为一种无毒、廉价且丰富的C1资源, CO_2也可以转化为各种高附加值的工业产品,如甲酸、一氧化碳、甲烷、甲醇以及碳酸酯等.其中CO_2与环氧化物转化生成环碳酸酯的环加成反应具有良好原子经济性,在近年来引起了人们的广泛关注.尽管已有多种多相和均相催化剂应用于该反应,但已有的催化剂特别是多相催化剂往往具有反应条件苛刻、催化剂易损失以及需要可溶性的共催化剂等缺点,从而限制了它们的进一步实际应用.因此,发展多相催化剂实现在温和和无共催化剂条件下的CO_2环加成转化仍是一个挑战.本文通过自由基共聚的方法,以乙烯基功能化的金属卟啉和季膦盐作为单体制备了一种新型多孔有机聚合物(POP-PBnCl-TPPMg-x).考虑到金属卟啉和季膦盐常作为CO_2环加成反应中的Lewis酸和Lewis碱活性中心,我们通过自由基共聚实现了这两种活性中心在分子水平上的结合与协同.所得的催化剂的组成和结构通过固体核磁、X射线光电子能谱、氮气吸附、扫描电子显微镜、透射式电子显微镜等手段进行了表征.值得指出的是,所得多相催化剂具有良好的CO_2吸附与富集效应,十分有利于CO_2的催化转化.我们以温和(40°C和1 atmCO_2)并没有任何无可溶性共催化剂存在条件下,进行CO_2与环氧化物的环加成作为探针反应,测试了不同催化剂的催化活性.以催化剂POP-PBnCl-TPPMg-12为例,其催化活性远超过单组分的POP-PBnCl和POP-TPPMg多相催化剂,也超过了二者机械混合的POP-PBnCl+POP-TPPMg-12催化剂,接近均相催化剂PBnCl+TPPMg-12的水平.这表明通过共聚合方法所得到的催化剂可以实现Lewis酸和Lewis碱两种活性中心的分子水平的结合.本文进一步研究了多相催化剂POP-PBnCl-TPPMg-12和均相催化剂PBnCl+TPPMg-12在低浓度CO_2(15%N2v/v,工业废气中CO_2的浓度)条件下的催化活性,发现在该条件下多相催化剂表现出比均相催化剂更为优异的催化转化性能,且展现出良好的稳定性和循环使用性能,在循环使用5次后仍无明显的活性损失.该催化剂所具有的多相特点和优良的催化性能,因而有望成为实现工业CO_2脱除并转化成高附加值产品的潜在高效催化剂.     

亚微米ZSM-5负载Cr催化剂上乙烷CO_2气氛下脱氢制乙烯（英文）

石油资源的日趋短缺使天然气和页岩气的开发利用受到重视,因而低碳烷烃脱氢制取低碳烯烃也随之引起了人们越来越多的关注.由于乙烷纯脱氢反应的平衡收率低,能耗高,而氧气氧化脱氢又易将乙烷深度氧化为CO2或CO,因此开发具有反应条件温和、装置投资和操作费用低等优势的CO2气氛下乙烷脱氢的技术路线日益得到重视.CrOx是该反应理想的催化剂之一,CO2的加入可使CrOx对乙烷脱氢的催化活性提升3倍,然而受困于CrOx过小的比表面积,通常将CrOx制备成负载型催化剂使用.CrOx的常见载体有Al2O3,Zr O2和Si O2等氧化物及MCM-41,SBA-15,SBA-1和MSU-x等介孔硅材料,ZSM-5作为载体负载CrOx用于低碳烷烃脱氢的研究则较少,所得结果也不甚理想.我们采用亚微米尺寸的ZSM-5作为载体制备了负载型Cr O x催化剂,研究了其在CO2气氛下催化乙烷脱氢反应,发现该催化剂具有非常优异的脱氢活性,高硅铝比和Na型的ZSM-5作载体对反应更加有利,而且在反应进行50 h后,催化剂依然保持很好的活性和很高的乙烯收率,这是在一般负载型CrOx催化剂上所不能实现的.X射线光电子能谱(XPS)表征发现,Na型ZSM-5载体制得的催化剂具有更高的Cr6+/Cr3+比.一般认为,Cr6+是Cr系催化剂进行低碳烷烃脱氢反应时的活性位(或活性位前驱体),因此可以初步判定,Na型载体具有很好催化效果的原因可能是由它制得的催化剂具有更多的反应活性位.程序升温还原(H2-TPR)表征结果证实了这一点,Na型载体明显具有更高的H2消耗量;也就是说,Na型载体制得的催化剂具有更多的可还原Cr物种,即脱氢活性位.进一步表征发现,反应活性还与Cr物种存在形式有关.文献报道,低聚态的Cr物种和孤立态的Cr物种比Cr2O3有更好的催化活性.通过漫反射紫外-可见光谱(UV-Vis)对Cr物种的存在形态进行表征后发现,Na型载体上Cr主要以四配位形式存在,而在H型载体上出现了对应于六配位的Cr物种;激光Raman表征结果表明,Na型载体上出现的都是低聚态Cr物种和孤立态Cr物种,而H型载体上出现了明显的对应于α-Cr2O3的峰,说明相较于H型载体,Na型载体更有利于Cr组分分散,这也是Na型ZSM-5载体催化剂具有更高活性的原因之一.CO2引入后对乙烷脱氢反应具有明显的促进作用,特别是在CO2/C2H6=5时,催化剂上C2H6转化率是非CO2气氛下的3.2倍;同时,CO2的引入也提高了脱氢反应的稳定性.在非CO2气氛下,反应进行6 h后,C2H6转化率降低到初活性的60%左右,而在CO2/C2H6=5时,相同时间内催化剂活性下降仅有5%左右.实验分析了CO2对脱氢反应具有促进作用的原因.在脱氢反应温度650o C下,CO2/H2=1时进行了逆水煤气反应测试,发现CO2的转化率达到22.5%,说明引入CO2后可以通过逆水煤气反应有效地消耗掉乙烷脱氢反应生成的H2,从而促进反应向脱氢方向进行;CO2的引入也可以促进Cr物种的CrOx/CrOx-1循环,从而提高催化剂效率,减缓催化剂失活;CO2还可与反应中生成的积碳类物质发生Boudouard反应,将反应活性位暴露出来,从而提高催化剂的稳定性.CO2气氛下反应6 h后催化剂的积碳量为3.0%,低于非CO2气氛下的3.4%,同时在脱氢反应中生成的CO量与消耗掉的CO2量的比值约为1.4,也有力地说明Boudouard反应的存在.     

球形氧化铝负载锰基双金属氧化物催化剂催化臭氧深度氧化NO（英文）

在工业锅炉烟气处理领域,由于锅炉容量低,烟气温度往往无法满足传统选择性催化还原(SCR)所需温度窗口.工业锅炉烟气成分的复杂性也给氮氧化物治理带来了严峻考验.臭氧深度氧化NO结合湿法洗涤同时脱硫脱硝技术具有独特的应用优势.传统臭氧氧化技术中,NO被臭氧氧化为NO_2,进而在脱硫塔中实现一体化脱硫脱硝.但由于NO_2溶解度相对较低,需要在脱硫浆液中加入添加剂提高脱硝效率,造成运行成本增加.NO经臭氧深度氧化后,NO_2进一步转化为溶解度高的N_2O_5,传统脱硫石膏浆液即可实现高效吸收N_2O_5,从而有效提高氮氧化物吸收效率.但由于N_2O_5生成反应速率低,深度氧化存在臭氧投入量大、反应时间长及臭氧残留多的缺点.臭氧耦合催化剂深度氧化NO可有效解决以上问题.首先,本文采用溶胶-凝胶法合成一系列单金属氧化物(Mn,Co,Ce,Fe,Cu,Cr)作为臭氧深度氧化NO的催化剂.结果发现锰氧化物表现出最高的催化活性,在70 ℃下,O_3/NO摩尔比为2.0时经过0.12 s的反应时间催化剂即可实现80%以上的转化效率.但根据N_2O_5生成的总包反应(2NO+3O_3=N_2O_5+3O_2)可以看出,O_3/NO摩尔比为1.5时即可实现N_2O_5的完全转化.由于催化臭氧氧化反应温度较低,中间产物在催化剂表面聚集,占据大量活性位,进而导致无法实现1.5摩尔比的高效转化.通过采用球形氧化铝作为载体,避免粉末状催化剂紧凑型布置,增加换热面积,可有效降低催化剂表面中间产物聚集;同时延长了气体与催化剂的接触时间,提高反应效率.在球形氧化铝载体上负载锰基双金属氧化物(Ce-Mn,Fe-M,Cr-Mn,Cu-Mn和Co-Mn),在初始NO浓度为410 mg/m~3,反应温度100 ℃,O_3/NO摩尔比1.5,催化反应时间0.12 s的工况下,催化剂最终实现95%(Fe-Mn)和88%(Ce-Mn)的转化效率,剩余NO和NO_2的浓度分别低于20 mg/m~3(Fe-Mn)和50 mg/m~3(Ce-Mn),臭氧残留浓度低于25 mg/m~3.同负载单一锰氧化物(83%转化率)相比,双金属氧化物进一步提高了N_2O_5生成效率.因此,臭氧耦合催化剂深度氧化NO结合湿法吸收在工业锅炉超低排放(NO_x50 mg/m~3)领域具有广泛应用前景.通过XRD、氮气吸附、H2-TPR和XPS等手段研究了催化剂的晶体结构、孔结构参数、氧化还原性能和表面原子价态.催化臭氧深度氧化NO主要与催化剂对臭氧的分解性能和对NO的氧化性能有关.较大的比表面积和孔容有利于催化剂的吸附.氧空位有利于臭氧的吸附和分解.Mn~(4+)和Mn~(3+)的均衡分布既有利于NO的吸附氧化又有利于臭氧的吸附分解,最终提高了N_2O_5生成效率.